水泥基流態土固化劑的試驗研究

高強

（山東中巖建材科技有限公司，山東 棗莊 277100）

0 前言

建筑業發展的同時，無可避免地帶來了一系列問題。施工所需的砂、石、水泥越來越多，這既加重了施工的成本，也加重了自然環境的負擔，不利于可持續發展[1]。針對這些問題，各國的解決方案之一是土壤固化劑及其相關技術。土壤固化劑的研究興起于20世紀40年代[2]，到了20世紀70年代[3]，已在歐美等發達國家取得了較為廣泛的應用，取得了不俗的成果。在道路工程[4]、地下工程[5]、水利工程、環境保護、港口和機場、石油工程等各工程領域，有效利用基坑土或渣土，通過土壤固化劑制備預拌固化土，改善土體性，可滿足復雜的施工要求，從而保護環境，節約成本，提高施工質量。

1 預拌固化土的應用優勢

預拌固化土可用于臨時地坪硬化、臨時或低等級道路、路基工程等，也可用作地基材料，形成新的地基處理技術體系。

預拌固化土作為一種質量可控的低強度巖土工程材料，可用于填筑工程，包括市政管廊的基槽回填、市政管網埋設的回填、建筑物深基坑的回填、市政工程對質量要求較高部位的回填、狹窄或異形空間的回填等，也包括礦山工程中的礦山充填，改變大部分巖土礦山采空區、深基坑、肥槽固化“只能用水泥”的局面，提供了更高性價比材料的解決方案。對于填筑工程，往往采用大流態的預拌固化土，可泵送或溜槽澆筑，無需振搗成型，減少了傳統素土、灰土回填的壓實（碾壓、夯實）工序，有利于淤泥質土、高含水率狀態下的土質，污泥等特殊土壤的處理[6]，特別是對狹窄空間的填筑工程，更有無可替代的技術優勢，為填方材料問題、土方處置、工業固廢的高附加值利用提供了一種思路。

2 材料和試驗方法

2.1 試驗思路

傳統膠凝材料混凝土是通過水泥膠結砂石材料制成，該膠凝材料固結表面性質為惰性的石、砂。固化土則是通過水泥“固結”土粒制成，該膠凝材料可以特殊膠凝組合固化細粒土和活化土界面。與傳統膠凝材料混凝土相比，原材料從單一水泥材料變成水泥、礦粉、脫硫石膏、鋼渣等工業固廢組成的復合材料，包含多組分無機材料，也包含高分子類的改性材料[7]。

傳統膠凝材料應用于高含水率或特殊土壤時存在一定的缺陷，因此需開發特殊的膠凝材料體系用于流態土固化，需制備專用的流態土固化劑在常溫下加入高含水率或特殊土壤中膠結土壤顆粒[8]，或與粘土礦物發生離子結合、水化反應、生物作用等從而大幅提高土壤密實度、強度、彈性和耐水性。

土壤固化劑作為一種新型建筑材料，可將總量豐富、成本低廉的自然土壤進行固化改性之后用作各類地基、路基及工程填筑用料，就地取材，減少砂石用量和運輸成本，形成流動性可控、施工速度快、固化強度高、勻質性好、成本低、適用范圍廣的綠色環保工程材料。

2.2 原材料及設備

2.2.1 原材料

水泥：42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；礦粉、鋼渣：市面采購工業品；外加劑：常見外加劑；試驗用水：自來水。

土樣：山東東營粉質土，其采樣深度為100～200cm。土樣風干并過孔徑2mm的篩，測定其物理性質，結果見表1。從表1可看出，供試土樣的顆粒密度為1.26，含水率為29.4%，孔隙比為0.8，液限為29.4%，塑限為15.88%，塑性指數為15.88；顆粒組成以粉粒為主，按照界限含水率分類，此土樣屬于低液限黏土（CL）。

表1 土樣性質指標Tab.1 Soil sample property index

2.2.2 主要設備

液壓式萬能試驗機：型號WE-300，最大試驗力300kN，濟南實驗機廠制造；電子液壓式壓力試驗機：型號WAY-300，北京海智科技開發中心制造；蒸養箱；凍融循環機；模具：50mm×50mm×50mm的土塊試件模具；土壤性能測試儀器：GYS-2型光電式液塑限測定儀，北京恒奧德儀器儀表有限公司制造。

2.3 試樣制備和養護

根據CJ/T 3073-1998《土壤固化劑》、JTJ 057-94《公路工程無機結合料穩定料試驗規程》的規定方法進行試驗。將土壤與固化劑按照設計摻量拌和均勻，置于50mm×50mm×50mm試模中，使固化土流態密實填充試模，試樣固化后體積穩定。試件制備完畢后立即用塑料薄膜封裝，放入標準養護室（溫度為（20±2）℃，濕度為95%以上）養護至規定齡期，備用待測。

2.4 試驗方法

通過調整拌合用水與回填土的比例、固化劑摻量與回填土質量的比例和水泥基流態土固化劑的組成，包括固化組分、激發組分、分散組分及體積穩定組分、功能組分等。

2.4.1 調整膠凝組分含量

水泥摻量為固化劑的40%，粉煤灰、礦粉、石灰摻量之和為固化劑的40%。根據混料設計中單純型重心設計法（見圖1），粉煤灰摻量按照設計摻量分別選擇0、33%、50%、100%，礦粉摻量按照設計摻量分別選擇0、33%、50%、100%，石灰摻量按照設計摻量分別選擇0、33%、50%、100%，設計7組不同粉煤灰、礦粉、石灰摻量的試驗，見表2。

圖1 單純形重心試驗設計法圖例Fig.1 Legend of simplex center of gravity experimental design method

表2 膠凝材料原材料配比Tab.2 Proportion of cementitious materials

2.4.2 調整堿激發劑的種類及摻量

使用4種常用堿激發材料氫氧化鈉、硅酸鈉、硫酸鈉、碳酸鈉，摻入量分別選擇3g、6g、9g，見表3。

表3 堿激發劑原材料配比Tab.3 Material ratio of alkali activator

2.4.3 調整強度組分

通過對礦粉、粉煤灰、Ca(OH)2不同比例的試樣的3d、7d、28d抗壓強度的分析得出，礦粉是試樣提高強度的主要組成部分，粉煤灰對試樣的早期強度和后期強度的提高作用不明顯，Ca(OH)2對試樣早期強度影響不大，對試樣后期強度略有幫助。

綜合上述試驗結果，在新調整的配比中取消了粉煤灰和Ca(OH)2的摻入，改為更經濟的鋼渣粉作為新的組成。在此基礎上，調整水泥按照設計摻量分別選擇0、16%、33%、50%、100%，礦粉按照設計摻量分別選擇0、16%、33%、50%、100%、鋼渣按照設計摻量分別選擇0、16%、33%、50%、100%，設計11組試驗，見表4。

表4 膠凝材料原材料配比Tab.4 Proportion of cementitious materials

2.4.4 固化土的微觀結構分析

采用掃描電鏡-能譜儀對水化產物進行形貌觀察和元素分析.掃描電鏡型號為J-5800，分辨率為3.5nm，放大倍數為20～30萬倍，圖像模式為二次電子像和背散射電子像，加速電壓為0.3～30kV.固化土試件采用直徑50mm、高50mm的圓柱體，在(20±2)℃、相對濕度＞95%的標準條件下養護至規定齡期。

3 結果與討論

3.1 調整膠凝組分含量結果

表5、圖2表明，通過對石灰、粉煤灰、礦粉三組分不同比例的試樣的3d、7d抗壓強度的分析得出，試樣中礦粉占比增加有利于固化土的早期強度，而粉煤灰和石灰的區別不大，石灰相比粉煤灰作用大些。由此可知，土壤固化劑的強度主要來自礦粉堿激發的強度，可根據需求和原材料價格調整石灰、粉煤灰、礦粉三組分摻量，以控制固化土強度。

圖2 抗壓強度Fig.2 Sample compressive strength

表5 試樣3d、7d、28d強度Tab.5 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

3.2 調整堿激發劑的種類及摻量結果

表6結果表明，氫氧化鈉作為堿激發劑的效果最好，包含氫氧化鈉的試樣3d、7d、28d強度較高，包含硅酸鈉的試樣的流動性稍有提高，但激發效果稍差。作為土壤固化劑的堿激發組分，綜合考慮價格和激發效果，硫酸鈉摻量4%的試樣的性價比最高。因此，選擇硫酸鈉摻量4%作為堿激發劑材料。

表6 試樣3d、7d、28d強度Tab.6 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

3.3 調整強度組分組結果

表7、圖3的結果表明：1）第二、三、四組固化土在沒有加入水泥的情況下，只添加鋼渣粉或礦渣在3d、7d、28d齡期內基本沒有強度或強度增長；2）在固化土試樣中單純提高水泥組分比例，固化土強度在3d、7d、28d齡期內有所提高，但增強效果變弱。

表7 試樣3d、7d、28d強度Tab.7 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

圖3 固化土強度Fig.3 Compressive strength of solidif ied soil

從圖4可以看出，在存在一定鋼渣的情況下，固化土強度在3d、7d、28d齡期內增加顯著，水泥/廢渣存在協同作用。

圖4 20%固定鋼渣粉試樣強度Fig.4 Strength of 20% steel slag powder sample

圖5的結果表明：1）水泥與工業廢渣的合理比例可減少固化劑本身水泥用量，節約成本，實際上也是提升固化土品質的手段；2）使用流態土固化劑形成的固化土，在一些應用場景中可替代完全使用水泥的情況，從而提升質量，降低成本，改善環境。

圖5 水泥與工業廢渣的比例Fig.5 Ratio of cement to industrial waste residue

表8的結果表明，由于土中可溶鹽、離子交換、物理吸附、凝硬反應等作用，試樣大量吸收Ca2+和OH-離子。在Ca(OH)2不飽和的情況下，土樣對Ca2+和OH-的離子進一步吸收，必然消耗原本用以生成C-S-H的Ca2+和OH-，導致固化土中水化物生成量減少，影響固化土抗壓強度的增長。當水泥-礦粉摻入比例合適時，產生的Ca(OH)2充分滿足土樣的吸收，可保證試樣強度。

表8 試樣水泥-礦粉摻雜比例變化所含離子Tab.8 Ion contained in sample under change of cement-mineral powder doping ratio

3.4 固化土的微觀結構分析結果

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對7d、28d、56d標準條件下養護的試樣的形貌特征進行分析，結果見圖6。

由圖6可見：1）凝膠已將土顆粒黏結起來，但仍可見土顆粒之間的縫隙，土顆粒的外貌清晰可辨；2）7d齡期時，水化產物C-S-H凝膠進一步增多，其將土顆粒包裹起來，并有效進行黏結；3）28d齡期時，已分辨不出土顆粒的形貌，土顆粒外部被水化產物包裹起來；4）56d齡期時，C-S-H凝膠將土顆粒黏結起來，形成較大的顆粒。

圖6 水泥礦粉摻雜試樣7d、28d、56d的掃描電鏡觀察Fig.6 SEM observation of cement mineral powder doped samples for 7d, 28d and 56d

顆粒之間形成纖維狀和網狀的水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）、六方棱柱型的三硫型水化硫鋁酸鈣晶體（鈣礬石，AFt）及片狀或疊片狀的氫氧化鈣晶體（CH）。固化劑中含有硫酸鈉、硅酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉等成分，這些成分可有效激發水泥基中的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣等物質的反應，更重要的是可促使黏土礦物中的硅氧四面體和鋁氧八面體在強堿性條件下發生分解，分別形成可溶性氧化硅和氧化鋁，再和水泥中的可溶性鈣發生反應，生成水化硅酸鈣凝膠及硫酸鋁鈣等。在各種水化產物中，C-S-H與Aft構成了固化土的強度主體[9]。在Ca(OH)2不飽和情況下，將消耗原本用以生成C-S-H的Ca2+和OH-，影響固化土抗壓強度增長。合適比例的水泥-礦粉產生飽和Ca(OH)2，可保證強度有效增長。鈣礬石膨脹填充固化土中的孔隙是提高固化土強度的主要因素[10]。

4 結語

1）水泥基流態土固化劑。由單一的水泥材料變成水泥與工業固廢組成的復合材料，包含多組分無機材料和高分子類改性材料。經過組成之間的物理作用和化學反應、激發效應，形成流動性可控、施工速度快、固化強度高、勻質性好、成本低、適用范圍廣的一種綠色環保的工程材料。

2）流態土主要應用領域。①邊坡固化。邊坡穩定性是水利工程中的一個重要問題?；峦l生在起伏不定的道路邊坡上。土壤固化劑應用于邊坡固結可解決邊坡穩定性差、投資高、處理方法單調等問題，有良好的社會效益[11]。②渠道防滲。渠道系統用水系數是灌溉渠道系統凈流量與總流量的比率。研究表明，我國灌溉渠道系統用水系數僅為0.5左右，這意味著40%以上的水在運河供水過程中無效流失，造成大量浪費。因此，加強過濾控制防滲[12]和灌溉渠道抗凍性意義重大。③道路工程。土壤固化劑在此領域主要用于加固松軟的地下土壤。劈裂試驗證明固化碎石土的劈裂強度較高，有利于減少路面結構面層裂縫的產生[13]。水穩定性試驗和凍融循環試驗也表明固化碎石土有良好的水穩定性和顯著的抗凍效果[14]。

3）流態土固化機理。無機類土壤固化劑為粉體固化劑，大多通過水泥、粉煤灰、工業廢料等無機材料和某些酸、堿、鹽類激發劑(如氯鹽、硫酸鹽、氫氧化鈉等)或含有表面活性劑的激發劑制備而成[15-16]。無機土壤固化劑中的C2S等物質在激發劑的作用下能迅速與土壤中的水反應生成Ca(OH)2和水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，同時，其內部活性SiO2和Al2O3在堿性激發劑和新生成的Ca(OH)2等堿性物質的作用下進一步生成C-S-H與水化鋁酸鈣(C-A-H)，C-A-H與硫酸鹽類激發劑生成AFt。在制備的水泥基流態土固化劑中水泥與工業廢渣協調作用，當摻入一定比例的水泥-工業固廢組分時，在Ca(OH)2飽和的情況下，有利于固化土中水化物生成，這些產物填充了土壤內部空隙，提高了土壤的密實度，加強了土壤顆粒之間的連接，同時附著在土壤顆粒表面，相互交叉形成空間骨架，并將其黏結成一個整體，從而提高了固化土的強度，其中C-S-H凝膠、AFt是構成固化土強度的主體，起到土壤固化的作用[17]。